DE102008011047B4

DE102008011047B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Einengen, Trennen oder Führen einer Fluidströmung, insbesondere Glasströmung

Info

Publication number: DE102008011047B4
Application number: DE200810011047
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Hofmann Otto R.
Original assignee: Individual
Current assignee: Hofmann Otto R Prof Dr De; OTTO R. HOFMANN, DE
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: WO2009106059A1; DE102008011047A1

Abstract

Verfahren zum Einengen, Trennen und Führen einer Fluidströmung, insbesondere Glasströmung, die durch eine zwischen mindestens zwei Elektroden sich ausbildende elektrische Stromdichte (j) beheizt und in welcher sich zwischen mindestens zwei Polen eines Magnets eine magnetische Flussdichte (B) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Stromdichte (j) und die Flussdichte (B) eine Lorentzkraftdichte (fL) erzeugen und steuern, die radial zur Achse (X-X) des Fluidstromes, insbesondere Glasstromes gerichtet ist und die Lorentzkraftdichte (fL) zeitlich und/oder größenmäßig gesteuert wird, in dem die Steuerung impulsartig oder periodisch erfolgt, wobei die Lorentzkraftdichte (fL) zur Achse (X-X) des Fluidstromes, insbesondere Glasstromes hin oder weg gerichtet ist und periodische Drucksituationen entstehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einengen, Trennen oder Führen eines Fluidstromes, insbesondere Glasstromes gemäß der Gattung der Patentansprüche.
Die Erfindung ist anwendbar auf alle Technologien, bei denen kontinuierlich vorliegendes formbares elektrisch leitfähiges Material, z. B. Glasschmelzen, Polymere, organische Gläser oder ähnliche Substanzen zur Weiterverarbeitung berührungslos in Portionen aufgeteilt werden.
Die Erfindung ist auch anwendbar auf Technologien, bei denen elektrisch leitfähige Materialströme in ihrem Durchmesser beeinflusst und in ihrer Richtung abgelenkt werden.
Viele Massenprodukte werden aus viskosen, viskoelastischen oder ähnlichen Fluiden bzw. aus Schmelzen hergestellt. Neben Metallen zählen hierzu insbesondere Schmelzen aus Nichtmetallen, insbesondere Glasschmelzen, die in ihrer Viskosität und elektrischen Leitfähigkeit stark temperaturabhängig sind.
Es gibt die verschiedensten anorganischen Gläser wie Behältergläser, Flachglas, technische Gläser für die Chemie- und Elektronikindustrie, Pressgläser, Glas für die Beleuchtungstechnik, optische Halbzeuge und Komponenten, aber auch die unterschiedlichsten polymeren Materialien und organischen Glaser, die meisten kontinuierlich erschmolzen und transportiert, dann diskontinuierlich portioniert und durch verschiedene Techniken geformt werden. Nicht alle Schmelzen, bspw. Glasschmelzen, verhalten sich auf Grund ihrer Viskosität wie tropfbare Flüssigkeiten und müssen deshalb zur Portionierung getrennt, üblicherweise durch mechanische Scherung in Einzeltropfen geschnitten werden. Der Trennvorgang erzeugt dabei Spuren im Produkt, so genannte Schnittmarken, die oft eine nicht akzeptable Beeinträchtigung der Produktqualität ergeben.
Meistens müssen die Schnittwerkzeuge z. B. mit Wasser gekühlt werden, um ihre Langzeitfunktion zu sichern und das Anhaften der Schmelze zu verhindern. Die Temperaturdifferenz zwischen z. B. 1200°C Glastemperatur und der Kühlwassertemperatur und die Verdampfungsenthalpie des Kühlwassers führen zu Wärmeentzug und beeinträchtigt die Temperaturhomogenität und die Materialeigenschaften des Glases.
Weiterhin wird durch die Berührung der Glasportion durch mechanische Hilfsmittel und Werkzeuge die Glasoberfläche und die Glastemperatur negativ beeinflusst.
Im konkreten Fall z. B. der Behälterglasfertigung werden zur Trennung des Glasstranges scheren- oder messerartige mechanische Vorrichtungen benutzt. Die dabei entstehenden Schnittmale (Schnittmarken) und unsymmetrischen Tropfenformen sind nachteilig und werden durch nachfolgend genannte Maßnahmen bekämpft:

• Erhitzen der Trennstelle durch Gasflammen
• Elektrische Wärmefreisetzung durch Strom zwischen Schere und Auslaufrohr
• Durchtrennen des Strangs mit schlingenähnlichen oder blendenartigen Vorrichtungen
• Spezielle geometrische Gestaltung der Scheren und Messer, z. B. Scheren mit Zähnen und drehbaren Scherblättern
• Schnelles Absenken einer Glasaufnahmeform und damit einhergehendes Einschnüren des darüber sich befindenden Stranges

Nachteilig ist in jedem Fall die Berührung des Glases durch vorrangig kaltes Material bzw. durch mechanische Mittel. Es entstehen Abweichungen von der Rotationssymmetrie des Stranges, die Mechanik verschleißt und muss gekühlt werden.
Allgemein hinterlässt die mechanische Trennung eine Reihe von weiteren technischen Nachteilen (Bruchfestigkeit, Wanddicke oder optische Fehler) bzw. ästhetische Beeinträchtigungen, die in letzter Konsequenz zu zusätzlichen Material- und Nacharbeitungskosten führen.
Zur Lösung der genannten Probleme bietet der Stand der Technik zur Trennung von Glassträngen bzw. Portionierung von Glasposten eine Reihe von Lösungen an. Moderne Maschinen verwenden schnelle parallel geführte Scheren. Die sog. Linearschere ist mit einem programmierbaren elektronische geregelten Motor angetrieben, die Schnitteinstellung ist optimierbar und die hohe Schnittgeschwindigkeit soll mit einer Kontaktzeit zum heißen Glas von z. B. 50 ms für minimale Rückwirkung auf das Glas sorgen, siehe Produktinformation Fa. Füller zur Schereneinheit Typ S-PS vom 10.08.2007. Die auswechselbaren Messer der Schervorrichtungen einer Winkelschere oder Parallelschere werden V- oder C-förmig ausgeführt, um den Glasstrang möglichst gleichmäßig zu durchtrennen.
Die verschiedensten Bewegungsabläufe der Schermesser werden realisiert, um die Kontaktzeit, die Wärmeübertragung zum Glas und die thermischen und mechanischen Auswirkungen auf das Glas zu minimieren, siehe Produktinformation der Fa. Lindner zur Winkelschere Typ 315 vom 10.08.2007.
Da der Schnittvorgang aber prinzipiell mechanisch erfolgt, sind auch die damit verbundenen Nachteile prinzipiell nicht zu beseitigen.
Auch den nachfolgend genannten, bekannten technischen Lösungen haften die vorstehend aufgezeigten Nachteile an.
Zur Vermeidung der Schnittmarken sieht die DE-OS 2 203 132 die verschiedensten Scherenformen, Stellungen und Bewegungsabläufe vor.
Die AT 220769 A schlägt zu demselben Zweck Scheren vor, deren Klingen mit Zähnen versehen sind. Die AT 103959 A sieht drehbare Scherblätter vor.
Die DE 101 09 322 B4 beinhaltet die symmetrische Zerteilung eines Glasstrangs durch einen ggf. gekühlten Trenndraht, der sich auch in Glasflussrichtung bewegen kann.
Die DE 592457 A sieht vor, durch das Anbringen einer Kappe und durch den Einsatz von heißem Gas oder Brenngas die Qualität des abzuschneidenden Tropfens zu verbessern und das Abschneiden zu unterstützen. Die DE 1 002 921 A1 zeigt einen Weg auf, den Glastropfen durch direkten Stromdurchgang (Joulesche Wärme) an der Trennstelle zu erhitzen und letztlich abzuschmelzen.
Weiterhin wird in der DE 102 34 587 A1 versucht, durch Einsatz einer elektrischen Spannung zwischen Auslaufrohr und Schere einen elektrischen Strom und damit eine Joulesche Wärmefreisetzung zu erreichen, wodurch die Schnittmarkenbildung reduziert werden soll.
Die EP 0 573 020 B1 sieht vor, die Tropfenbildung des viskosen Glases zu nutzen und eine Einschnürung des Glasstranges zuzulassen, an der durch die Schwerkraft und die Oberflächenspannungssituation die Trennung des Stranges erfolgt, ggf. unterstützt durch umgebende Heizelemente und Scherenschnitt.
Die Nachteile der letztgenannten Lösungen liegen darin, dass die Wärmeübertragung von Flammen oder Gas auf das Glas im Vergleich zu den Produktionsgeschwindigkeiten nicht schnell genug erfolgt und dass nur durch die elektrische oder Flammenbeheizung des Glases seine Eigenschaft, von alleine keine separaten Tropfen zu bilden, nicht beseitigt wird.
Eine spezielle Lösung zur Erzeugung von Tropfen bzw. Produktportionen besteht im Absenken einer Gussform unterhalb eines Produktauslaufrohres. Die Absenkgeschwindigkeit ist dabei größer als die Stranggeschwindigkeit, so dass auf diese Weise der viskose Strang berührungsfrei zerrissen wird. Die DE 39 24 238 A1 bzw. JP 02-034525 A beschreiben solche Lösungen. Nachteilig sind hierbei der komplizierte mechanische Aufwand und die starke Abhängigkeit der Tropfenmasse von der Temperatur.
Die DE 28 17 505 A1 beschreibt, wie durch Stützplatten unter dem nach unten ablaufenden Glas dieses auf die gewünschte Masse angesammelt und dann abgeschnitten wird. In ähnlicher Absicht beschreibt die DE 101 39 040 B4 das zeitweilige Schweben eines sich ausbildenden Glastropfens durch Stützgas bis zum Zeitpunkt des Scherenschnittes.
Damit wird zwar in beiden Fällen Einfluss auf die sich ansammelnde Glasmasse, deren Form und Eigenschaft ausgeübt, der mechanische Schnittvorgang und die damit verbundenen Nachteile werden jedoch nicht beseitigt.
Die GB 390,580 A beschreibt ähnlich der DE 10 2004 015 055 A1 , wie innerhalb einer Auslaufapparatur ein Glasstrang durch die elektromagnetische Kraftwirkung (Lorentzkraft) beeinflusst wird. Durch das seitliche Kontaktieren des vertikalen Glasstrangs fließt ein waagerechter elektrischer Strom im Glas. Ebenfalls waagerecht, aber senkrecht zum elektrischen Strom prägen zwei Magnetpole ein magnetisches Feld in die Glasschmelze ein. Dadurch entsteht eine Lorentzkraft in Richtung des Glasstranges entweder nach oben oder nach unten. Der Glasmassestrom soll nach unten oder nach oben beschleunigt werden. Auf diese Weise übt die elektromagnetische Kraft die Funktion eines Plungers (Drehstempel) aus. Durch Mehrfachanordnung dieses konstruktiven Elementes im Auslaufrohr und entsprechendes Ein- und Ausschalten des Stromes wird eine pulsierende vertikale Kraftsituation im Glasstrang erzeugt, die seine Trennung durch eine ohnehin vorhandene Schere unterstützten soll. Die Absicht dieser Lösung besteht darin, die Auf und Abbewegung eines Plungers in einem zur Entnahme und Portionierung des Fluids dienendem Auslaufrohr durch Lorentzkraftwirkung nachzuahmen. Es dürfte jedoch schwer fallen, eine so große Lorentzkraft zu erzeugen, die der Gewichtskraft des Fluids wirksam entgegen wirken kann.
Ferner ist aus der DE 31 05 070 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Glasfasern für Lichtwellenleiter bekannt, wobei bei fester Glasmatrix mittels elektrischer und/oder elektromagnetischer Felder die Ionen der Dotierungsstoffe so sortiert werden, dass das Brechzahlprofil über die gesamte Länge der Glasfasern genau und reproduzierbar eingehalten wird. Bewegung der Glasmatrix selbst erfolgt auf mechanische Weise, nicht durch die Lorentzkraft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Trennung bzw. Portionierung der kontinuierlich bereitstehenden oder heranfließenden Materialien berührungsfrei durch Anwendung der elektromagnetischen Kraftwirkungen (Lorentzkraft) zu bewirken bzw. wesentlich vorzubereiten oder einen Fluidstrom bzw. Fluidstrang berührungslos einzuengen oder einzuschnüren. Darüber hinaus soll die Erfindung geeignet sein, einen Ladungsträgerstrom durch elektromagnetische Kraftwirkung zu führen, d. h. ihn in seinem Durchmesser und in seiner Bahn zu beeinflussen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten und elften Patentanspruchs gelöst. Weitere günstige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur werkzeuglosen berührungsfreien Trennung oder Einengung eines Fluidstranges oder Fluidstromes, insbesondere eines Glasstromes sind dadurch charakterisiert, dass die Trennung oder Einengung durch eine im Strang radial nach innen oder nach außen, also im Wesentlichen senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung des Fluids, zur Wirkung gebrachte, zeitlich gesteuerte Lorentzkraft erfolgt. Ebenso ist es möglich, einen Fluidstrom, insbesondere einen Glasstrom bei Abweichung von seiner Sollrichtung durch eine seiner Abweichung proportional entstehende Lorentzkraft in seine Sollrichtung zu lenken. Die Lorentzkraft F_L bzw. die Lorentzkraftdichte f_L = F_L/V = j × B (V = Volumeneinheit) entsteht durch die Wechselwirkung einer magnetischen Flussdichteverteilung B und einer elektrischen Stromdichteverteilung j im Fluid.
Während das Magnetfeld separat keine Wirkung im Fluid erzielt, bewirkt die elektrische Stromdichte j separat eine lokale Wärmeproduktion p (Joulesche Wärmeleistungsdichte) gemäß p = j²/κ. Hier ist κ die elektrische Leitfähigkeit des Fluids.
Wenn die mit der lokalen Wärmeentwicklung verbundene Temperaturerhöhung zur lokalen Viskositätserniedrigung des Fluids führt, dann unterstützt dieser Effekt die beabsichtigte Einengung oder Trennung des Fluidstrangs bzw. Fluidstroms.
Die Trennung oder Einengung des Strangs oder Fluidstroms kann impulsartig oder periodisch gesteuert erfolgen. Dadurch wird die technisch immer bestehende Aufgabe erfüllt, die Schnittzeiten und die Masse der aus dem Fluidstrang (z. B. Glasstrang) geschnittenen Einzelposten (Tropfenmasse) zu verändern. Dabei kann die impulsartige oder periodische Wirkung der Lorentzkraft durch das gleichzeitige Einschalten, Verstärken oder Abschwächen des magnetischen Feldes und der elektrischen Stromdichte erzeugt werden. Weiterhin kann die impulsartige oder periodische Anwendung der Lorentzkraft durch das separate Verändern des magnetischen Feldes erzeugt werden. In diesem Fall ist eine elektrische Stromdichte ständig wirksam und bewirkt die direkte elektrische Beheizung des Fluids. Auch kann die impulsartige oder periodische Anwendung der Lorentzkraft durch das separate Verändern der elektrischen Stromdichte erzeugt werden. In diesem Fall ist die elektrische Stromdichte nur kurzzeitig wirksam und bewirkt nur kurzzeitig die direkte elektrische Beheizung und Viskositätsabsenkung des Fluidstroms an der Trenn- oder Einengungsstelle. In manchen Fällen ist es günstig, das Einschalten, Ausschalten, Verstärken oder Abschwächen des magnetischen Feldes zeitlich versetzt zum Einschalten, Ausschalten, Verstärken oder Abschwächen der elektrischen Stromdichte vorzunehmen. Damit kann den verschiedenen Detailforderungen im praktischen technologischen Betrieb einer Produktionsanlage entsprochen werden. Schließlich kann es in manchen Anwendungsfällen von Vorteil sein, wenn das magnetischen Feld und die elektrische Stromdichte gleich lang oder unterschiedlich lang wirksam sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren einer werkzeuglosen, berührungsfreien Trennung oder Einengung eines Fluidstranges oder Fluidstromes kann kombiniert verwendet werden mit einer mechanischen, elektrischen, elektromagnetischen, thermischen und/oder strömungsmechanischen Verfahrenslösung oder Vorrichtung zur Beeinflussung der Fluidströmung, wobei die Kombination synchronisiert geschieht.
Die Erfindung kann dabei vorteilhaft kombiniert verwendet werden mit einem bekannten Verfahren, nach dem die elektromagnetische Kraftwirkung in Richtung des Fluidstranges bzw. Fluidstromes bremsend oder beschleunigend auf das Fluid wirkt. Eine andere vorteilhafte Kombination ist mit dem bekannten Verfahren möglich, bei dem die elektromagnetische Kraftwirkung in Richtung des Umfangs des Fluidstranges bzw. Fluidstromes wirkt und das Fluid zusätzlich zum Längsstrom in Umfangsrichtung dreht.
Stromdichte j und Magnetflussdichte B weisen Eigenfrequenzen ν_j und ν_B auf, die miteinander übereinstimmen oder voneinander abweichen können. Während eines technologischen Gesamtprozesses können sie konstant oder variabel sein. Entsprechend verhalten sich dann der zeitliche Verlauf und die Frequenz ν_f der Lorenzkraftdichte, welche ihren Betrag und ihre Richtung ändert. Die sich periodisch ändernde Lorentzkraftdichte f_L beeinflusst oder bewegt den Fluid- oder Fluidstrom, insbesondere den Glasstrom in gleicher Weise. Sie engt ihn periodisch ein oder weitet ihn periodisch auf und erzeugt dabei periodische Drucksituationen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass der Frequenzunterschied ν_j – ν_B und/oder das Frequenzverhältnis ν_j/ν_B sich zeitlich ändert und dadurch zeitlich variierende bzw. nicht periodische Druck- und Strömungssituationen hervorgerufen werden.
Bei einem Fluidstrom, insbesondere Glasstrom, dessen Ladungsträger sich in Richtung (oder entgegengesetzt) der Stromdichte j bewegen, schnürt die nach innen gerichtete Lorentzkraft diesen Fluidstrom (Glasstrom) auf eine Gleichgewichtsdicke ein und beeinflusst seine Richtung, wodurch er materialkontaktfrei und berührungslos geführt wird.
Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Verfahrenslösung ist als Vorrichtung eine rohrförmige, n-eck-förmige oder kanalförmige Strömungsgeometrie vorgesehen, die von mindestens einem Stromleiter zur Erzeugung des Magnetfeldes und von einer geraden oder ungeraden Anzahl von Stromzuführungselektroden zur Einbringung der elektrischen Stromdichte in das Fluid umgeben sind. Die Lorentzkraft wirkt dann in der Hauptsache in radialer Richtung nach innen bzw. außen.
Grundsätzlich kann die Magnetfelderzeugung auch mit Permanentmagneten vorgenommen werden. Ebenso kann zum Betreiben der gesamten Anordnung Gleichstrom verwendet werden. Aus technologischen Gründen bzw. zur Vermeidung von störenden Nebeneffekten dürften jedoch Elektromagnete und Wechsel- oder Drehstrom bevorzugt zur Anwendung gelangen.
Eine Möglichkeit, eine radiale Lorentzkraft zu erhalten, wird dadurch realisiert, dass die Stromleiter bzw. die Ströme, die das Magnetfeld erzeugen, in Rohr- bzw. Kanalrichtung verlaufen und die besagte Fluid-Querschnittsgeometrie umgeben und so im Fluid ein in Umfangsrichtung des Querschnittes zeigendes Magnetfeld erzeugt wird. Werden nun die Elektroden in Hauptströmungsrichtung versetzt angeordnet, so kommt regelmäßig eine in diese Richtung fließende Stromdichte zustande. Sie ist senkrecht zum in Umfangsrichtung zeigenden Magnetfeld orientiert.
Die das Magnetfeld erzeugenden Stromleiter liegen vorzugsweise peripher parallel zur Fluidgeometrieachse und sind bei hohen Strömen vorteilhaft gekühlt. Sie können aber auch bei Beibehaltung der Hauptrichtung z. B. spiralig oder ähnlich verlaufen.
Die in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Stromzuführungselektroden sind im einfachsten Fall Ringe oder unterbrochene Ringe, die Bestandteile der Fluidberandung sind und mit ihr bündig abschließen. Es ist auch möglich, dass sie aus ringförmig angeordneten Einzelblöcken bestehen. Die Elektrodenringe oder -blöcke können aber auch in den Fluidstrom eintauchen, um den elektrischen Kontakt zu verbessern oder den elektrischen Widerstand zwischen den wirksamen Elektroden zu verringern.
Eine weitere Möglichkeit, eine radiale Lorentzkraft zu generieren, wird dadurch realisiert, dass die Stromleiter bzw. die Ströme, die das Magnetfeld erzeugen, in Form von Spulenwicklungen um die Rohr- bzw. um die Kanalgeometrie verlaufen und so im Fluid ein in Längsrichtung zeigendes Magnetfeld erzeugt wird. Werden nun die Elektroden in Umfangsrichtung angeordnet und die treibenden Spannungen zwischen ihnen in Umfangsrichtung angelegt, so kommt regelmäßig eine in Umfangrichtung fließende Stromdichte zustande. Sie ist senkrecht zum in Längsrichtung zeigenden Magnetfeld orientiert, und es wird nach der sogen. Rechte-Hand-Regel eine radiale Lorentzkraft generiert, die je nach Polung der Elektroden und/oder der Elektromagnete im Fluidstrom nach innen oder außen gerichtet ist.
Die das Magnetfeld erzeugenden Stromleiter liegen vorzugsweise peripher in Form einer Spule um das fluidführende Bauteil und sind bei hohen Strömen vorteilhaft gekühlt. Ob eine oder mehrere in Strömungsrichtung nebeneinander liegende Wicklungen oder ob eine oder mehrere in Radiusrichtung übereinander liegende Wicklungen angeordnet werden, ist von den geometrischen Gegebenheiten, der zu erzielenden magnetischen Flussdichte bzw. Lorentzkraft und z. B. von der Schnitt- und Fluidgeschwindigkeit abhängig.
Die in Umfangsrichtung angeordneten Stromzuführungselektroden sind im einfachsten Fall Blöcke, die mit dem Berandungsmaterial bündig abschließen oder in das Fluid hineinragen. Um eine umfangssymmetrische Kraftsituation zu erhalten, sind sie in Umfangsrichtung regelmäßig angeordnet und symmetrisch mit treibenden Spannungen beaufschlagt. Es ist aber auch möglich, eine nicht regelmäßige Gruppierung vorzunehmen oder die Elektrodenspannungen unregelmäßig zu gestalten, um z. B. eine nur zweiseitig auf den Strang bzw. auf den Fluidstrom wirkende Lorentzkraft zu erzeugen. Hierdurch entsteht ein z. B. ovaler Strangquerschnitt oder z. B. eine nur zweiseitige Einschnürung des Fluidstromes.
Vorteilhaft können die das Magnetfeld erzeugenden Permanent- oder Elektromagnete auch C- oder U-förmig gestaltet und so angeordnet sein, dass die Pole jedes Elektromagnets in Strömungsrichtung aufeinanderfolgen. Die vom Fluidstrom isolierten Pole umfassen dabei einen als Ein- oder Ausbuchtung gestalteten Teil der Rohr- oder Kanalgeometrie so, dass zwischen ihnen ein im Wesentlichen parallel zur Fluidströmungsrichtung gerichteter magnetischer Fluss entsteht. Die Elektroden sind vorteilhaft peripher zwischen den Elektromagneten so angeordnet und beschaltet, dass sich eine elektrische Flussdichte in Umfangsrichtung einstellt. Daraus ergibt sich nach der Rechte-Hand-Regel eine radial gerichtete Lorentzkraft.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung von sechs Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 ein Blockschaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 einen Axialschnitt durch die wesentlichen Bauteile einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 einen Schnitt entlang der Linie A-A in 3,
5 einen Axialschnitt durch die wesentlichen Bauteile einer vierten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 einen Schnitt entlang der Linie D-D in 5,
7 einen Axialschnitt entlang der Linie H-H in 8 durch die wesentlichen Bauteile einer fünften erfindungsgemäßen Vorrichtung,
8 einen Schnitt entlang der Linie E-E in 7,
9 einen Axialschnitt durch die wesentlichen Bauteile einer sechsten erfindungsgemäßen Vorrichtung und
10 einen Schnitt entlang der Linie G-G in 9.
In 1 ist eine Wechselstromquelle (Wechselspannungsquelle) 20 mit einer elektrischen Baueinheit 21, die mindestens eine Leistungsstufe und einen Magnetfelderzeuger (Elektromagnet) enthält, zur Erzeugung einer magnetischen Flussdichte B in einem Fluidstrom 22 verbunden, der im Querschnitt dargestellt ist. Ebenso ist an eine Wechselstromquelle (Wechselspannungsquelle) 23 eine elektrische Baueinheit 24 mit Leistungsendstufen und Elektrodenanordnungen zur Erzeugung einer elektrischen Stromdichte j im Fluidstrom 22 angeschlossen, der durch die Elektrodenanordnungen beheizt wird. Eine Steuereinheit 25 steuert die elektrischen Baueinheiten 21 und 24 an, sie ermöglicht das Ein- und Abschalten der Ströme und damit der Magnetfelder und der Beheizung, die Veränderungen der Amplituden und Frequenzen ν der Wechselströme und damit der Magnetflussdichte B wie auch der elektrischen Stromdichte j sowie die Veränderung der Polung und der Periodendauer gemeinsam oder für die Baueinheiten 21 und 24 getrennt. Hierzu können diese Baueinheiten ggf. weitere Stell-, Umform- und Verstärkerbauteile enthalten.
Die Wechselstromquellen (Wechselspannungsquellen) 20, 23 können Drei-Phasen-Wechselstrom (Drei-Phasen-Wechselspannung), Zwei-Phasen-Wechselstrom (Zwei-Phasen-Wechselspannung) oder einphasigen Wechselstrom (Wechselspannung) liefern.
In Abhängigkeit von der Steuerung der Magnetflussdichte B und/oder der Stromdichte j wird auch die Lorentzkraftdichte f_L hinsichtlich ihrer Intensität, Frequenz und Richtung gesteuert. Zur Erzeugung einer ausreichenden Scherkraft muss die Lorentzkraftdichte f_L immer quer zum Fluidstrom 22 insbesondere radial zur Achse X-X gerichtet sein. In 1 ist sie von innen nach außen gerichtet.
Die Ströme und Spannungen zur Erzeugung von B und j mit den Frequenzen ν_B und ν_j müssen nicht notwendigerweise ungestörte Sinus-Cosinus-Funktionen sein. Sie können z. B. als Folge ihrer Generierung, Stellung oder Verstärkung deformiert sein.
In 2 sind die elektrische Baueinheit 21 mit dem Magnetfelderzeuger und die elektrische Baueinheit 24 mit den Elektrodenanordnungen an dieselbe Wechselstromquelle 26 angeschlossen. Durch eine mit dem Steuergerät 25 vollzogene Umpolung des Magnetfelderzeugers in der Baueinheit 21 oder der Elektrodenanordnung in der Baueinheit 24 ist auch die Richtung der radial wirkenden Lorentzkraftdichte f_L umgekehrt worden.
Das Steuergerät 25 synchronisiert und stellt die Ein- und Ausschaltzeitpunkte sowie die Impulsdauer der Elektroden- und der Magnetfelderzeugerströme. Darüber hinaus stellt es die Werte und Frequenzen der Elektroden- und Magnetfelderzeugerströme.
Die 3 und 4 zeigen ein Rohr 27 mit einer Längsachse X-X, in das beabstandet zwei Ringelektroden 28, 29 mit elektrischen Anschlüssen 30, 31 eingearbeitet sind und in dem sich ein Fluidstrom 22 in durch Pfeile 32 angegebener Richtung bewegt. Um das Rohr 27 herum sind stabförmige Elektromagnete 33 angeordnet, deren Stabrichtung im Wesentlichen parallel zur Achse X-X verläuft und von denen jeweils zwei benachbarte miteinander mäanderförmig verbunden und die mit einem elektrischen Anschluss 34 versehen sind. Jeder der Elektromagnete 33 erzeugt ein magnetisches Feld mit einer Flussdichte B'. Diese Felder überlagern sich und ergeben eine resultierende magnetische Flussdichte B im Inneren des Rohres (oder Kanals) 27, die in Umfangsrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtet ist. Zwischen den Elektrodenringen 28 und 29 bildet sich im Fluidstrom 22 eine elektrische Stromdichte j aus, die parallel zur Achse X-X gerichtet und durch Pfeile markiert ist. Gemäß der oben genannten Gleichung f_L = j×B (wobei j und B senkrecht zueinander stehen) bildet sich eine Lorentzkraftdichte f_L aus, die radial zur Achse X-X und nach innen gerichtet ist. Bei geeigneter Dimensionierung und Bestromung I der Elektromagnete 33 entsteht eine Lorentzkraftdichte, die ausreichend ist, um den Fluidstrom 22 in gewünschter Weise und Form einzuengen oder abzuscheren. Die Schnittgeschwindigkeit ist abhängig von der Viskosität des Fluidstromes 22, den Abmessungen seines Querschnitts an der Schnittstelle und der Magnetflussdichte B, für die der Strom I im Magnetfelderzeuger bestimmend ist.
In den 3 und 4 sind wie in den folgenden Figuren die die Zeichenebene von vorn durchstoßenden Pfeile für I, B und j als Kreise mit einem eingeschriebenen Kreuz und die die Zeichenebene von hinten durchstoßenden Pfeile für I, B und j als Kreise mit einem umschriebenen Mittelpunkt dargestellt.
Die 5 und 6 unterscheiden sich von den 3 und 4 dadurch, dass die Ringelektroden jeweils durch vier miteinander verbundene Einzelelektroden 281 bis 284 und 291 bis 294 ersetzt sind. Im Übrigen gilt das zu den 3 und 4 Gesagte sinngemäß. Insbesondere ist der die Magnetstäbe 33 durchfließende Strom I gegensinnig zum Strom in den elektrischen Verbindungen zwischen den benachbarten Elektromagneten 33 gerichtet. Die elektrischen Verbindungen müssen also entsprechend zwischen dem unteren Ende des Vorgängermagneten und dem oberen Ende des Folgemagneten liegen oder umgekehrt. Bei zu starker Wärmeentwicklung durch die Elektromagnete 33 kann eine Kühlung (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Es versteht sich von selbst, dass die Elektromagnete 33 durch ein Steuergerät (1) kontinuierlich oder impulsartig gesteuert werden können, so dass bspw. ein Glasstrom wohl portioniert und die Portionen ohne Schnittmale gestaltet sein können.
Die Elektromagnete 33 können jeder für sich auch direkt mit der Stromquelle in Verbindung stehen (Parallelschaltung).
Die 7 und 8 stellen ein Rohr (oder einen Kanal) 27 für einen in Richtung der Pfeile 32 fließenden Fluidstrom 22 dar, dessen Achse X-X ist und das in der Nähe seiner Ausflussöffnung 271 Einschnürungen 272 aufweist. Die Einschnürungen 272 sind so gestaltet, dass in sie die Pole N, S von C-förmigen oder ähnlich gestalteten Elektromagneten 35 hineinragen können und dass zwischen ihnen eine wulstförmige Ausbuchtung 273 der Rohrwandung 27 besteht, die ebenfalls vom Fluidstrom 22 durchflossen wird. Die Pole N, S befinden sich dabei an Eisenkernen 351. Im Ausführungsbeispiel sind vier Elektromagnete 35 in regelmäßiger Anordnung bezüglich der Achse X-X vorgesehen (8), zwischen denen sich Elektroden 36 ebenfalls in regelmäßiger Anordnung befinden, die durch die Kanalwandung 27 in den Fluidstrom 22 hineinragen und ihn damit kontaktieren. Zwischen benachbarten Elektroden 36 besteht eine Spannung U. Die Elektroden 36 bewirken eine peripher gerichtete Stromdichte j. Die Elektromagnete 35 erzeugen eine Magnetflussdichte B, die in Richtung der Achse X-X verläuft. Beide generieren nach der Rechte-Hand-Regel eine Lorentzkraftdichte f_L, die zur Achse X-X im Wesentlichen radial gerichtet ist und im Querschnitt des Rohres 27 eine Einengung bzw. eine Trennung des Fluidstroms 22 bewirkt, der bspw. ein viskoser, elektrisch leitfähiger Glasstrom sein kann.
In den 9 und 10 ist das Ende eines Rohres 27 mit der Achse X-X mit einer Ausflussöffnung 271 erkennbar, in deren Nähe in die Rohrwandung in regelmäßiger Anordnung acht Elektroden 36 eingelassen sind, so dass sie einen das Rohr 27 ausfüllenden Fluidstrom 22 nicht nur kontaktieren, sondern in ihn eintauchen. Die Elektroden 36 werden so bestromt, dass zwischen zwei jeweils benachbarten Elektroden 36 eine Spannung U besteht. Im Fluidstrom 22 bildet sich zwischen den Elektroden 36 eine peripher gerichtete Stromdichte j aus.
Außerdem ist das Ende des Rohres 27 von einem ringförmigen Gehäuse 37 umgeben, in dem sich eine hohle von Kühlwasser durchflossene Kupferspule 371 mit elektrischen Anschlüssen 372 befindet. Bei mit Hilfe einer Steuereinheit (25 in 1) regulierter Stromzuführung erzeugt die Kupferspule 371 ein elektromagnetisches Feld, dessen magnetische Flussdichte B im Wesentlichen in Richtung der Achse X-X und rechtwinklig zur Stromdichte j verläuft. Daraus ergibt sich gemäß der Rechte-Hand-Regel eine im Wesentlichen radial zur Achse X-X gerichtete Lorentzkraftdichte f_L, die zur Abscherung des Fluidstroms 22 direkt an der Ausflussöffnung 271 führt.
Im vorliegenden Beispiel ist der Fluidstrom 22 ein Glasstrom mit einer elektrischen Leitfähigkeit κ = 20 s/m, einer Viskosität η = 1000 Pa·s und einem Durchmesser von 4 cm. Die Elektromagnetwindungen der Kupferspule 371 erzeugen im Glasschmelzestrom 22 eine magnetische Flussdichte B = 0,2 T und zwischen den Elektroden 36 fließt auf Grund einer Spannung vun U = 500 V eine Stromstärke von I = 500 A bzw. eine Stromdichte von j = 1000 kA/m². Damit wird eine Lorentzkraftdichte von f_L = 200 kN/m³ erzeugt, die den Glasschmelzestrom 22 in ca. 1 s durchtrennt.
Bei einer Glasviskosität von η = 5·10³ Pa·s und einer elektrischen Leitfähigkeit von κ = 10 s/m ist zur Abscherung des Fluidstroms in 2 s eine Lorentzkraftdichte von f_L = 500 kN/m³ erforderlich. Diese entsteht durch eine Magnetflussdichte B = 1 T und eine Stromstärke von I = 100 A bzw. eine Stromdichte j = 500 kA/m², welche durch eine Spannung U = 500 V zwischen den Elektroden 36 entsteht.
Die vorstehend genannten Zahlenwerte können durch die Anzahl, Größe und Form der Elektroden günstig beeinflusst werden. Außerdem sorgt die kurzzeitig hohe Erwärmung im Bereich der Trennstelle für ein schnelles Absinken der Viskosität sowie ein deutliches Ansteigen der elektrischen Leitfähigkeit κ, der Stromstärke I und der Stromdichte j, was bspw. bei Leistungskonstantregelung zur Erniedrigung der Spannung U führt.
Abweichend von den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Erfindung sowohl im Hinblick auf die Anordnung und Gestaltung der Elektroden und ihre Beschaltung vielfach variierbar. So kann in Abhängigkeit vom Anwendungsfall die Anordnung und Beschaltung der Elektroden durchaus unregelmäßig sein. Das Gleiche gilt sinngemäß für die Elektromagnete. Die Bestromung der Elektroden und der Magnete, sofern letztere keine Permanentmagnete sind, kann mit Gleich- oder Wechselstrom erfolgen. Wichtig ist, dass in jedem Fall die Stromdichte j und die Magnetflussdichte B erzeugt werden, welche die im Wesentlichen radial zur Achse des Fluidstroms gerichtete Lorentzkraftdichte f_L generieren. Dazu können alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

20, 23, 26: Wechselstromquelle (Wechselspannungsquelle)
21: Magnetfelderzeuger (Elektromagnet)
22: Fluidstrom (insbesondere Glasstrom)
24: Elektrodenanordnung
25: Steuereinheit
27: Rohr
28, 29: Elektrodenringe
30, 31, 34, 372: elektrische Anschlüsse
32: Pfeil
33: stabförmige Elektromagnete
35: C-förmige Elektromagnete
36: Einzelelektroden
37: ringförmiges Gehäuse
271: Ausflussöffnung
272: Einschnürung
273: Ausbuchtung
281, 282, 283, 284, 291, 292, 293, 294: Einzelelektroden
351: Eisenkerne
371: Kupferspule
B, B': Magnetflussdichte
f_L: Lorentzkraftdichte
I: Strom
j: Stromdichte
N, S: (Nord-, Süd-)Pole
X-X: Achse

Claims

Verfahren zum Einengen, Trennen und Führen einer Fluidströmung, insbesondere Glasströmung, die durch eine zwischen mindestens zwei Elektroden sich ausbildende elektrische Stromdichte (j) beheizt und in welcher sich zwischen mindestens zwei Polen eines Magnets eine magnetische Flussdichte (B) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Stromdichte (j) und die Flussdichte (B) eine Lorentzkraftdichte (f_L) erzeugen und steuern, die radial zur Achse (X-X) des Fluidstromes, insbesondere Glasstromes gerichtet ist und die Lorentzkraftdichte (f_L) zeitlich und/oder größenmäßig gesteuert wird, in dem die Steuerung impulsartig oder periodisch erfolgt, wobei die Lorentzkraftdichte (f_L) zur Achse (X-X) des Fluidstromes, insbesondere Glasstromes hin oder weg gerichtet ist und periodische Drucksituationen entstehen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Stromdichte (j) peripher und die magnetische Flussdichte (B) parallel zur Achse des Fluidstromes, insbesondere Glasstromes gerichtet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Stromdichte (j) parallel und die magnetische Flussdichte (B) peripher zur Achse des Fluidstromes, insbesondere Glasstromes gerichtet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Lorentzkraftdichte impulsartig durch Einschalten/Ausschalten oder Verstärken/Abschwächen der elektrischen Stromdichte (j) und/oder der magnetischen Flussdichte (B) bewirkt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschalten/Ausschalten oder Verstärken/Abschwächen der elektrischen Stromdichte (j) und der magnetischen Flussdichte (B) gleichzeitig vorgenommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschalten/Ausschalten oder Verstärken/Abschwächen der elektrischen Stromdichte (j) und der magnetischen Flussdichte (B) zeitlich versetzt geschieht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der elektrischen Stromdichte (j) und die Frequenz der magnetischen Flussdichte (B) gleich und/oder konstant sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der periodischen Steuerung der Lorentzkraftdichte (f_L) die Frequenz ν_j der elektrischen Stromdichte (j) ungleich der Frequenz ν_B der magnetischen Flussdichte (B) ist.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es kombiniert wird mit einem mechanischen, elektrischen, elektromagnetischen, thermischen und/oder strömungsmechanischen Verfahren zur Beeinflussung des Fluidstromes, insbesondere Glasstromes.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom, insbesondere Glasstrom in Richtung der Stromdichte oder entgegengesetzt zu ihr verläuft und durch die nach innen gerichtete Lorentzkraftdichte (f_L) geführt wird.
Vorrichtung zum Einengen, Trennen und Führen einer Fluidströmung, insbesondere Glasströmung sowie zur Erzeugung periodischer Drucksituationen in dieser Strömung in einem rohr- oder kanalförmigen Bauteil (27), in dem der Fluidstrom, insbesondere Glasstrom in Längsrichtung (32) fließt, von Elektroden (24) elektrisch beheizt wird und in dessen Umgebung sich mindestens ein Magnet, vorzugsweise ein Elektromagnet (21) befindet, der in dem Fluidstrom, insbesondere Glasstrom (22) eine magnetische Flussdichte (B) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (24) so in die Wandung des Bauteils (27) eingearbeitet sind, dass sie eine Stromflussdichte (j) rechtwinklig zur magnetischen Flussdichte (B) hervorrufen und magnetische Flussdichte (B) und Stromflussdichte (j) eine Lorentzkraftdichte (f_L) bewirken, die im rohr- oder kanalförmigen Bauteil (27) radial gerichtet ist, in dem • Magnetpole und/oder Stromleiter in Rohr- bzw. Kanalrichtung verlaufen und die Fluid-Querschnittsgeometrie umgeben und die Elektroden (24) in Hauptströmungsrichtung versetzt angeordnet sind oder • Magnetpole und/oder Stromleiter in Form von Spulenwicklungen um die Rohr- bzw. um die Kanalgeometrie verlaufen und die Elektroden (24) in Umfangsrichtung angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektromagnet (21) die Form mindestens einer das Bauteil umgebenden elektrischen Spulenwindung (371) hat.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektromagnet (33) stabförmig gestaltet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnet (35) C- oder U-förmig gestaltet ist, dessen Pole (N; S) in Richtung der Achse X-X des Fluidstromes, insbesondere Glasstromes (22) voneinander beabstandet liegen, wobei sich zwischen den Polen (N, S) ein Teil (273) des rohr- oder kanalförmigen Bauteils (27) mit einem Teil des Fluidstromes, insbesondere Glasstroms (22) befindet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (28, 29) ringförmig ausgebildet sind und in Längsrichtung nacheinander angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus einzelnen Blöcken (36) bestehen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (281, 282, 283, 284; 291, 292, 293, 294) in Längsrichtung gegeneinander versetzt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (36) im Umfangsrichtung gegeneinander versetzt und/oder verschaltet sind.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 11 sowie 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden mit der Innenfläche des rohr- oder kanalförmigen Bauteils bündig sind.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 11 sowie 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (28, 29; 36) in den Fluidstrom, insbesondere Glasstrom (22) eintauchen.
Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (36) sich in regelmäßiger Anordnung zwischen den Magneten (35) befinden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Spulenwindungen (371) vorgesehen sind, die in Längsrichtung nebeneinander und/oder rechtwinklig zur Längsrichtung übereinander angeordnet sind und eine Spule bilden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (36) peripher regelmäßig angeordnet und symmetrisch mit treibenden Spannungen beaufschlagt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (36) peripher unregelmäßig angeordnet und unsymmetrisch mit treibenden Spannungen beaufschlagt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (36) in Gruppen angeordnet und mit treibenden Spannungen beaufschlagt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spulen in Längsrichtung angeordnet sind.